顆粒在線訊：北京時間2021年11月23日0時，美國加州大學伯克利分校化學系Michelle C.Y. Chang團隊在Nature Chemistry上發(fā)表了一篇題為“A dual cellular–heterogeneous catalyst strategy for the production of olefins from glucose”的新研究。

課題組運用細胞代謝工程和異相催化高效串聯(lián)實現(xiàn)從葡萄糖到燃油組成物烯烴的可再生合成。論文通訊作者是Michelle C.Y. Chang（張嘉瑜）教授，紐約州立大學王真教授；王真教授和武漢大學宋恒教授為該論文共同第一作者。

作為工業(yè)社會的能源基礎，石油能夠提供高度還原以及無基團取代的烴類用做燃料、工業(yè)潤滑油以及多種聚合物等化工產品。然而，石油屬于不可再生的化石燃料，對其過度依賴會造成能源危機、環(huán)境污染和溫室效應。因此，研發(fā)可再生來源的烴類，例如生物可再生烴類，可以作為一種有效途徑來滿足現(xiàn)代社會的能源需求和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。然而，生物來源的烴類大多含有多種基團取代，比如酯類和醇類（其親水性易使燃料水分超標），而非人們常用燃料（如無基團取代烴類）。此外，生物來源的烴類大多數碳鏈偏長，不宜作為燃料。

這篇報道里，Michelle C.Y. Chang團隊針對生物來源烴類和燃料烴類的化學結構差別，通過基因工程及合成生物學技術設計和構建了能大量產生3-羥脂肪酸的菌株，并基于這些生物來源的3-羥基脂肪酸，運用路易斯酸異相催化一步將3-羥基離去生成適用于燃料的烯烴結構。該設計的巧妙之處在于3-羥基的引入使得生物來源的3-羥基脂肪酸在異相催化脫羧的過程中無需再加入還原劑即可實現(xiàn)向燃料烯烴結構的轉化。此外Michelle C.Y. Chang團隊可通過所引入酶對底物鏈長的選擇性，高效生產碳鏈長度為C8-C10脂肪酸鏈，從而使其異相催化轉化后的產物為中鏈長烯烴，并與燃油鏈長近似。該產生烯烴的碳源是植物來源的葡萄糖，因此運用該方法合成的烯烴是可再生的。該報道通過將生物途徑（合成3-羥基脂肪酸）和化學途徑（烴類去修飾）串聯(lián)，實現(xiàn)了可再生烯烴的合成。目前，從葡萄糖到烯烴的轉化效率為理論值的8%，未來該方法有望實現(xiàn)更高效的可再生烯烴合成。

首先，該團隊發(fā)現(xiàn)了可支持3-羥基脂肪酸合成的一系列新型酶。其中，在戀臭假單胞菌（Pseudomonas putida）以及恥垢分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）中發(fā)現(xiàn)的硫解酶（thiolase）PaaJ9，氧化巰基輔酶A還原酶（oxoacyl-CoA reductase）FabG4，以及脫水酶（dehydratase）MaoC9，可催化以乙酰輔酶A為底物的Claisen縮合，還原，及水合反應。另外，該團隊還在厭氧球菌（Anaerococcus tetradium）中發(fā)現(xiàn)了對于碳鏈長度為8-10的巰基輔酶A特異的硫酯酶。

接著，利用新發(fā)現(xiàn)的酶構建了能大量生產3-羥脂肪酸的大腸桿菌菌株。該團隊將生物合成3-羥基脂肪酸的酶組件分別構建到多基因表達體系質粒中，并根據產量在搖瓶生產測試過程中進行優(yōu)化調整。在得到較優(yōu)菌株之后，他們利用生物發(fā)酵罐進行產量的工程化優(yōu)化放大，最終可實現(xiàn)3.6 克/升產量的C8-C10鏈長的3-羥基脂肪酸，同時還生產0.74 克/升的正辛酸（該產量已接近正辛酸在水中溶解度）。

最后，運用路易斯酸異相催化將生物來源的3-羥基脂肪酸轉化為烯烴。該團隊基于從上述菌株生物發(fā)酵生產的脂肪酸產物，利用異相催化方法篩選出合適的路易斯酸催化劑，最終可將發(fā)酵產物在小于350攝氏度、并且無需加入還原劑條件下以30-40%的選擇性脫羧轉化為庚烯（C7）和壬烯（C9）。因此，從該方法生物轉化源頭的葡萄糖算起，到最終產物烯烴的總轉化效率為理論值的8%，未來該方法有望實現(xiàn)更高效的可再生烯烴合成。

該報道的作者包括Michelle C.Y. Chang，王真，宋恒，加州大學伯克利分校的Edward J. Koleski， Noritaka Hara，Yejin Min，以及明尼蘇達大學的Dae Sung Park，Gaurav Kumar和Paul J. Dauenhauer。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-021-00820-0